基于波形重合度的阈值筛选时延估计方法和系统与流程

1.本发明涉及信号增强、去噪、声源定位领域，特别涉及基于波形重合度的阈值筛选时延估计方法和系统。


背景技术：

2.声源定位技术的应用范围十分广泛，目前主流的方法是一种基于到达时间差(time difference ofarrival,tdoa)进行定位计算的方法，通过比较信号到达各个监测点的时间差，就能作出以监测点为焦点、距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是信号源的位置。
3.传统计算信号到达时间差的方法都是采用基于相关系数的互相关方法，对信号的相关系数进行计算，绘制相关系数曲线，对曲线上最大值进行最大值索引，最大值所对应的序列值被视为时间差值也就是时延值。
4.但是在实际使用的过程中，由于信号发声、传递的声环境复杂性以及采集过程的不确定性，总是难以避免的引入噪声干扰。当干扰信号较大导致信噪比(signal-noise ratio,snr)过低时，传统方法将会难以适用，出现不稳定甚至错误的计算结果。研究发现，当信噪比低于-10db时候，互相关方法会逐渐变得不再适用。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术的问题，本发明针对极低信噪比环境下的时延估计计算，提出了基于波形重合度的阈值筛选时延估计方法和系统。
6.本发明的具体技术方案如下：
7.一方面，本发明提供了一种基于波形重合度的阈值筛选时延估计方法，所述时延估计方法包括以下步骤：
8.s1.将第一信号采集装置设置于距信号源第一距离处，将第二信号采集装置设置于距所述信号源第二距离处，所述第一信号采集装置与所述第二信号采集装置均与信号分析处理设备相连接，所述信号源能够发出信号，所述第一信号采集装置与所述第二信号采集装置均能够采集所述信号源发出的信号，所述信号分析处理设备能够对所述第一信号采集装置和/或所述第二信号采集装置所采集的信号进行分析处理，所述第一距离与所述第二距离相同或不相同；
9.s2.当所述信号源发出初始信号，所述第一信号采集装置对所述初始信号进行采集得到第一采集信号并将所述第一采集信号发送至所述信号分析处理设备，所述第二信号采集装置对所述初始信号进行采集得到第二采集信号并将所述第二采集信号发送至所述信号分析处理设备；
10.s3.所述信号分析处理设备对所述第一采集信号和所述第二采集信号进行错位相减处理得到第一处理信号，所述错位相减的错位系数为τ；
11.s4.根据预设的判定阈值t对所述第一处理信号进行筛选得到第二处理信号，所述
第二处理信号的长度小于或等于所述第一处理信号的长度，将所述第二处理信号的长度值除以所述第一处理信号的长度值，得到与所述错位系数τ对应的重合系数c
τ
；
12.s5.将所述错位系数τ取多个不同值，重复步骤s3，得到重合系数曲线c；
13.s6.对所述重合系数曲线c进行最大值索引处理，得到最大值c
max
，若所述最大值c
max
符合预设标准，则输出所述最大值c
max
所对应的错位系数τ作为信号时延值d，否则，对所述判定阈值t进行调整得到新的判定阈值t，重复步骤s4～s6。
14.进一步地，步骤s4中，根据预设的判定阈值t对所述第一处理信号进行筛选得到第二处理信号的步骤包括：
15.将所述第一处理信号的值与所述判定阈值t比较，若所述第一处理信号中某一点的值小于或等于所述判定阈值t，则将该点设置为重合点，所有所述重合点的集合形成所述第二处理信号。
16.进一步地，步骤s4中，所述预设的判定阈值t为所述第一处理信号中最大值的绝对值。
17.进一步地，步骤s6中，所述对所述判定阈值t进行调整得到新的判定阈值t的步骤包括：
18.若所述最大值c
max
《1，则令t
new
＝2/3t
old
并令新的判定阈值t＝t
new
；
19.若存在多个所述最大值c
max
＝1，则令t
new
＝4/3t
old
并令新的判定阈值t＝t
new
。
20.进一步地，步骤s6中，所述预设标准为：存在且仅存在一个所述最大值c
max
＝1。
21.进一步地，所述错位系数τ的取值范围为[0，l]，l的取值范围为0～10s，一般地，l的取值优选在1.0～2.0s之间。
[0022]
优选地，所述错位系数τ的取值间隔大于或等于所述初始信号的频率的三倍。
[0023]
优选地，所述初始信号的信噪比大于或等于-25db。
[0024]
另一方面，本发明提供了一种基于波形重合度的阈值筛选时延估计系统，所述时延估计系统包括：
[0025]
信号源，所述信号源能够发出信号，所述信号源的数量为一个或多个；
[0026]
第一信号采集装置和第二信号采集装置，所述第一信号采集装置与所述第二信号采集装置均能够采集所述信号源发出的信号，且所述第一信号采集装置与所述第二信号采集装置分别设置于距所述信号源第一距离和第二距离处，所述第一距离与所述第二距离相同或不相同；
[0027]
信号分析处理设备，所述第一信号采集装置与所述第二信号采集装置均与信号分析处理设备相连接，所述信号分析处理设备能够对所述第一信号采集装置和/或所述第二信号采集装置所采集的信号进行分析处理并输出分析结果。
[0028]
进一步地，所述时延估计系统包括多个信号采集装置，所述多个信号采集设备均与所述信号分析处理设备相连接，所述信号分析处理设备能够按照预设规则和/或经由人工选择而将所述多个信号采集设备中的两个信号采集装置分别识别为所述第一信号采集装置和/或所述第二信号采集装置。
[0029]
本发明的技术方案区别于传统方法，利用信号/波形重合度的阈值筛选进行时延估计，带来的有益效果如下：
[0030]
(1)设计巧妙，易于实现，对各类使用条件都有着较好的时延估计效果，适用范围
较为广泛；
[0031]
(2)可用于常规方法所不能适用的、极低信噪比条件下的时延估计计算，在信噪比为-10db的条件下依然有着良好的时延计算能力，并且随着判定阈值的进一步迭代，甚至在更低信噪比(低于-20db甚至低达-25db)的环境下依然适用；
[0032]
(3)在低采样率的情况下仍然能够得到稳定、准确的结果，效果明显优于现有技术，并且，由于错位系数取值间隔较大时也仍然可以得到较好的结果，因此运算量也得到了一定程度上的降低；
[0033]
(4)提供了一种新的时延估计思路，与已经成熟的主流方法相比，无论是在硬件或软件方面，均有更广阔的研究空间。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]
图1是本发明实施例中应用基于波形重合度的阈值筛选时延估计方法时所采集的第一采集信号xa的示意图；
[0036]
图2是本发明实施例中应用基于波形重合度的阈值筛选时延估计方法时所采集的第二采集信号xb的示意图；
[0037]
图3是本发明实施例中对第一采集信号xa和第二采集信号xb进行处理得到的重叠系数曲线c的示意图；
[0038]
图4是在理想情况(无丢失信号无干扰信号)下，取判定阈值t
min
＝0时得到的重叠系数曲线c的示意图；
[0039]
图5是在信噪比为-5db情况下的时延估计仿真实验中，基于波形重合度的阈值筛选时延估计方法的时延估计结果；
[0040]
图6是在信噪比为-5db情况下的时延估计仿真实验中，互相关方法的时延估计结果；
[0041]
图7是在信噪比为-10db情况下的时延估计仿真实验中，基于波形重合度的阈值筛选时延估计方法的时延估计结果；
[0042]
图8是在信噪比为-10db情况下的时延估计仿真实验中，互相关方法的时延估计结果；
[0043]
图9是在信噪比为-15db情况下的时延估计仿真实验中，基于波形重合度的阈值筛选时延估计方法的时延估计结果；
[0044]
图10是在信噪比为-15db情况下的时延估计仿真实验中，互相关方法的时延估计结果；
[0045]
图11是在信噪比为-20db情况下的时延估计仿真实验中，基于波形重合度的阈值筛选时延估计方法的时延估计结果；
[0046]
图12是在信噪比为-20db情况下的时延估计仿真实验中，互相关方法的时延估计结果。
具体实施方式
[0047]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0048]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
[0049]
在本发明的一个实施例中，提供了一种基于波形重合度的阈值筛选时延估计方法，也可以称之为基于信号重合度的时延估计方法，包括以下步骤：
[0050]
s1.将第一信号采集装置设置于距信号源第一距离处，将第二信号采集装置设置于距信号源第二距离处，第一信号采集装置与第二信号采集装置均与信号分析处理设备相连接，信号源能够发出信号，第一信号采集装置与第二信号采集装置均能够采集信号源发出的信号，信号分析处理设备能够对第一信号采集装置和/或第二信号采集装置所采集的信号进行分析处理，第一距离与第二距离相同或不相同；
[0051]
s2.当信号源发出初始信号，第一信号采集装置对初始信号进行采集得到第一采集信号并将第一采集信号发送至信号分析处理设备，第二信号采集装置对初始信号进行采集得到第二采集信号并将第二采集信号发送至信号分析处理设备；
[0052]
s3.信号分析处理设备对第一采集信号和第二采集信号进行错位相减处理得到第一处理信号，错位相减的错位系数为τ；
[0053]
s4.根据预设的判定阈值t对第一处理信号进行筛选得到第二处理信号，第二处理信号的长度小于或等于第一处理信号的长度，将第二处理信号的长度值除以第一处理信号的长度值，得到与错位系数τ对应的重合系数c
τ
；
[0054]
s5.将错位系数τ取多个不同值，重复步骤s3，得到重合系数曲线c；
[0055]
s6.对重合系数曲线c进行最大值索引处理，得到最大值c
max
，若最大值c
max
符合预设标准，则输出最大值c
max
所对应的错位系数τ作为信号时延值d，否则，对判定阈值t进行调整得到新的判定阈值t，重复步骤s4～s6。
[0056]
需要说明的是，提到的初始信号、各个处理信号等，在信号分析处理设备中均可表现为横轴为时间、纵轴为振幅的波形，纵坐标即为信号在该时间(该点)的值，参见图1与图2。因此信号的长度即指信号所持续的时间的长度。
[0057]
本实施例能够克服现有主流方法(即互相关方法)受幅值信息准确性影响较大的不足之处，对低信噪比适应性较强，利用信号/波形重合度的阈值筛选进行时延估计，能够完成在各类不同激励震源或是极端情况下的时延估计。
[0058]
在本发明的一个实施例中，步骤s4中，根据预设的判定阈值t对第一处理信号进行筛选得到第二处理信号的步骤包括：
[0059]
将第一处理信号的值与判定阈值t比较，若第一处理信号中某一点的值小于或等
于判定阈值t，则将该点设置为重合点，所有重合点的集合形成第二处理信号。显然，第二处理信号的长度应小于等于第一处理信号的长度，重合点越多，第二处理信号的长度就越长。
[0060]
在本发明的一个实施例中，步骤s4中，预设的判定阈值t为第一处理信号中最大值的绝对值，作为循环的起点，尽可能将最多的初始信息纳入计算，方便后续调整处理得到更精确的结果。
[0061]
在本发明的一个实施例中，步骤s6中，对判定阈值t进行调整得到新的判定阈值t的步骤包括：
[0062]
若最大值c
max
《1，则令t
new
＝2/3t
old
并令新的判定阈值t＝t
new
；
[0063]
若存在多个最大值c
max
＝1，则令t
new
＝4/3t
old
并令新的判定阈值t＝t
new
。
[0064]
在本发明的一个实施例中，步骤s6中，预设标准为：存在且仅存在一个最大值c
max
＝1。
[0065]
在本发明的一个实施例中，错位系数τ的取值范围为[0，l]，l的取值范围为0～10s，优选地，l的取值在1.0～2.0s之间。
[0066]
在本发明的一个优选实施例中，错位系数τ的取值间隔大于或等于初始信号的频率的三倍。错位系数τ的取值间隔受限于信号采集装置的采样率，在低采样率的情况下，错位系数τ的取值间隔也会比较大。传统方法在低采样率下很难得到稳定、准确的结果，但本实施例的方法则可以。
[0067]
在本发明的一个优选实施例中，初始信号的信噪比大于或等于-25db，即，本实施例的方法在低信噪比的情况下仍然适用，有着明显优于现有技术的技术效果。
[0068]
在本发明的一个实施例中，提供了一种基于波形重合度的阈值筛选时延估计系统，时延估计系统包括：
[0069]
信号源，信号源能够发出信号，信号源的数量为一个或多个；
[0070]
第一信号采集装置和第二信号采集装置，第一信号采集装置与第二信号采集装置均能够采集信号源发出的信号，且第一信号采集装置与第二信号采集装置分别设置于距信号源第一距离和第二距离处，第一距离与第二距离相同或不相同；
[0071]
信号分析处理设备，第一信号采集装置与第二信号采集装置均与信号分析处理设备相连接，信号分析处理设备能够对第一信号采集装置和/或第二信号采集装置所采集的信号进行分析处理并输出分析结果。
[0072]
本实施例的时延估计系统适用本发明技术方案中提供的时延估计方法，并且能够在多个信号源的情况下进行工作，可以对单个信号源相关的时延进行估计，也可以同时对多个信号源相关的时延进行估计。
[0073]
在本发明的一个实施例中，时延估计系统包括多个信号采集装置，多个信号采集设备均与信号分析处理设备相连接，信号分析处理设备能够按照预设规则和/或经由人工选择而将多个信号采集设备中的两个信号采集装置分别识别为第一信号采集装置和/或第二信号采集装置。预设规则可以根据用户的需要来设置，当选取不同的信号采集装置作为第一信号采集装置和第二信号采集装置时，一般会得到不同的时延值。本实施例的时延估计系统在工作时能够得到不同距离、不同方位的时延值，有着更加广泛的应用。
[0074]
接下来结合具体实施例对本发明的实施例作进一步的举例说明。
[0075]
具体实施例包括以下步骤：
[0076]
1.使用时，系统包括至少一组信号源，两组信号采集设备与信号分析处理设备；
[0077]
2.将两组信号采集装置a和b分别放置于离信号源不同距离的位置，使用信号采集设备对两组具有一定时延d的信号进行采集，并将结果输送到信号分析处理设备中；
[0078]
3.传感器a采集到的信号为xa(参见图1)，传感器b采集到的信号为xb(参见图2)，信号长度为l(length)，使信号xa对应相减信号xb，将值记录并给予序列号0，得到信号x
e0
：
[0079]
4.对x
e0
上各点进行判定处理，设置判定阈值t(threshold)，视x
e0
上小于阈值t的点为一个重合点，大于阈值t的点为一个不重合点，将x
e0
上所有的重合点进行统计，除以总长度l，得到序列0对应的重合系数c0(coincide)，判定阈值t的初始值一般设置为t＝max_|x
e0
|，在步骤6中会对t的最佳值进行迭代求解；
[0080]
5.使xa错位相减xb，错位值为τ，得到序列τ所对应的x
eτ
，重复步骤4得到序列τ所对应的重合系数c
τ
。在一定范围内进行错位计算，计算结束之后，绘制得到重合系数曲线c，参见图3；
[0081]
6.对重叠系数曲线c进行最大值索引，得到c
max
，若c
max
《1，则取t
new
＝2/3t
old
重新计算并更新t；若存在多个c
max
＝1，则取t
new
＝4/3t
old
重新计算并更新t；当存在且仅存在一个c
max
＝1，结束循环，此时c
max
所对应的错位值τ即为信号时延值d.
[0082]
特别地，参见图4，在理想情况(无丢失信号无干扰信号)下，取阈值t
min
＝0,有c
max
＝1。
[0083]
用公式表示为：
[0084]
x
e0
＝x
a-xb,
[0085]
t＝max_|x
e0
|
[0086]
开始循环：
[0087][0088][0089]
x
e1
＝x
a1-xb[0090][0091][0092]
…
[0093]
x
e1
＝x
a1-xb[0094][0095][0096]
索引重合系数曲线c得到c
max
，进行判定：
[0097]
若c
max
《1，则取t
new
＝2/3t
old
并返回(1)；
[0098]
若存在多个c
max
＝1，则取t
new
＝4/3t
old
并返回(1)；
[0099]
当存在且仅存在一个c
max
＝1时，结束循环，此时c
max
对应τ为时延d。
[0100]
其中信号长度l越大，计算结果越稳定，即偶然性越低，但同时计算量会增加。
[0101]
另外，发明人使用仿真信号对本实施例的基于信号/波形重合度的阈值筛选时延估计方法的性能进行了评估，步骤包括：
[0102]
使用时延估计研究中最常用的高斯随机信号作为目标信号，将该信号分为两路分别添加相互独立的白噪声作为干扰信号，调节干扰信号幅值大小以适应不同信噪比，对不同信噪比条件下的两路信号进行时延估计计算(此时的时延值取为0s)，结果分别如图5、图7、图9、图11所示。
[0103]
为充分体现该方法效果，仿真实验中引入互相关方法作为对照组进行比较，如图6、图8、图10、图12所示，互相关方法为目前时延估计相关研究中所用的主要方法。
[0104]
具体地：
[0105]
图5、图6为信噪比snr＝-5db时的时延估计结果示意图；
[0106]
图7、图8为信噪比snr＝-10db时的时延估计结果示意图；
[0107]
图9、图10为信噪比snr＝-15db时的时延估计结果示意图；
[0108]
图11、图12为信噪比snr＝-20db时的时延估计结果示意图。
[0109]
已知在本系列实验中，时延值为0s；在图5、图7、图9、图11中，可以清楚地看到在t＝0s处存在孤立的c
max
＝1，表明时延值为0s，因此估计结果与实际情况相符合。在作为对照组的图6、图8、图10、图12中，则无法直接得到如此准确的时延估计结果。
[0110]
经实验验证对比，显然可见，本发明的技术方案具有以下有益效果：
[0111]
(1)以上实际实验结果表明，该方法设计巧妙，易于实现，对各类使用条件都有着较好的时延估计效果，适用范围较为广泛；
[0112]
(2)该方法可用于常规方法所不能适用的，极低信噪比条件下的时延估计计算，从仿真结果中可以看到，主流的互相关方法在信号信噪比低于-10db时便无法进行准确计算，而该方法在信噪比为-20db的条件下依然有着良好的时延计算能力，并且随着判定阈值t的进一步迭代，甚至在更低信噪比的环境下依然适用；
[0113]
(3)文章所提方法采用了一种新的时延估计思路，与已经成熟的主流方法相比，无论是在硬件或软件方面，均有更广阔的研究空间。
[0114]
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。